I.4.1 TDM classique
Historiquement, les RX ´etaient d´etect´es par un film compos´e d’un mat´eriau devenant opaque
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a l’exposition du rayonnement (typiquement de l’halog´enure d’argent). Au d´ebut des ann´ees 1990le d´eveloppement des d´etecteurs `a panneaux plats a permis d’avoir des images sans pour autant devoir d´evelopper les films. De plus, ces d´etecteurs ´etant num´eriques, cela a permis d’uti-liser les outils num´eriques du traitement de l’image. Ils ont ´egalement permis une diminution de la dose. En effet, ces d´etecteurs ont une meilleure efficacit´e quantique de d´etection que les films. Celle-ci correspond au rapport entre le nombre de photons incidents et celui de charges
´electroniques collect´ees. Nous pouvons distinguer les panneaux `a conversion indirecte et directe (Kalender (2006)). Les premiers d´enombrent des photons-´electrons g´en´er´es par les photons X incidents (conversion indirecte) et les seconds ont la capacit´e de capter et quantifier les photons X directement.
La conversion indirecteutilise un scintillateur compos´e la plupart du temps d’iodure de c´esium dop´e au thallium (Csl(TI)), qui convertit les photons X incidents. Ceux-ci interagissent
I.4. Formation de l’image
FigureI.8 – Sch´ema d’un d´etecteur de rayons X par conversion indirecte des photons X.
majoritairement par effet photo´electrique. Comme vu pr´ec´edemment, cette interaction ionise des ´electrons atomiques qui g´en`erent d’´electrons-trous qui vont exciter des niveaux atomiques des ions thallium en se recombinant La relaxation des niveaux excit´es va ´emettre des photons dans le domaine du visible par effet de fluorescence. Ces derniers peuvent ˆetre d´etect´es par des photo-diodes, comme d´ecrit sur la figureI.8.
La conversion directeconvertit les photons X en charges ´electriques (´electrons ou trous) qui seront collect´ees. Les photons X interagissent avec une couche de semi-conducteur (dont le plus r´epandu est compos´e de s´el´enium amorphe), cr´eant des paires ´electron-trou. Les ´electrons ou les ions positifs (trous) ainsi lib´er´es sont acc´el´er´es par un champ ´electrique pour ˆetre collect´es.
Ces principes d´ecrivent le type de conversion pour un pixel d’un d´etecteur. Un d´etecteur lin´eaire peut ˆetre cr´e´e en constituant une ligne avec diff´erents pixels. Cette acquisition 1D permet en TDM de reconstruire une coupe. Une matrice peut ´egalement ˆetre form´ee pour faire de l’imagerie multi-coupes. Il y aura cependant un effet limitant le nombre d’images qu’un d´etecteur peut former. Cet effet d´epend de la p´eriode de fluorescence des mat´eriaux. Il faut qu’entre chaque acquisition le d´etecteur soit au repos pour pouvoir accepter de nouveaux photons X.
I.4.2 TDM spectrale
En TDM, le spectre transmis est collect´e par des d´etecteurs de RX qui int`egrent le spectre att´enu´e. En TDMS, il est possible d’acqu´erir deux spectres `a diff´erentes ´energies ou d’utiliser un seul spectre d’´energie et de le subdiviser en plages d’´energies. Les donn´ees spectrales peuvent ˆ
etre acquises de plusieurs mani`eres : i double sources ;
ii changement de kVp (tension du tube `a RX) ; iii d´etecteurs en couches ;
iv filtrage du spectre ;
v d´etecteurs `a comptage de photons.
Les quatre premi`eres m´ethodes sont g´en´eralement utilis´ees pour acqu´erir des donn´ees en bi-´energie, c’est-`a-dire avec deux spectres (un `a haute et un `a basse ´energie), ou deux plages
Figure I.9 – Diff´erentes approches possibles pour l’imagerie spectrale. Avec : i) double sources, ii) changement de kVp, iii) d´etecteurs en couches et iv) filtrage du spectre.
d’´energies. Elles sont repr´esent´ees sur la figure I.9. Les d´etecteurs `a comptage de photons ont quant `a eux une plus grande flexibilit´e dans le choix du nombre de plages d’´energies acquises.
Nous d´etaillons les diff´erentes m´ethodes, les trois premi`eres se situant au niveau du tube `a RX, les suivantes se faisant sur le d´etecteur.
Les doubles sources reposent sur l’acquisition simultan´ee du mˆeme objet par plusieurs sources (Petersilka et al. (2008)) (Fig. I.9, i)). Chaque source a une tension d’acc´el´eration diff´erente, changeant l’´energie maximale des photons sortants. En effectuant une rotation autour du patient, nous obtenons un sinogramme par spectre,i.e.un `a haute et l’autre `a basse ´energie.
Cette m´ethode a ´et´e l’une des premi`eres utilis´ees (Genant et Boyd (1977)), mais elle double la dose re¸cue par le patient et des artefacts de mouvement peuvent apparaˆıtre. En effet, comme les sources sont g´en´eralement positionn´ees `a 90° l’une de l’autre, pour un angle donn´e, le patient peut facilement bouger entre le passage de chaque source (Johnson et al.(2007)). L’angle entre les sources est grand pour r´eduire le nombre de photons X diffus´es vers le d´etecteur de l’autre
I.4. Formation de l’image
source.
Le changement de kVp a pour but de pallier au probl`eme des artefacts de mouvement en modifiant l’´energie du spectre tr`es rapidement (Kalender et al. (1986)) (Fig. I.9, ii)). La source tourne autour du patient et pour chaque projection la tension va ˆetre modifi´ee. Ainsi, en consid´erant deux spectres, une projection sur deux est `a basse ´energie et les autres sont `a haute ´energie. Cette technique supprime les artefacts de mouvement (Silva et al.(2011)). Elle a cependant comme inconv´enient d’ˆetre plus lente par rapport aux doubles sources.
Le filtrage du spectreconsiste `a placer un filtre `a la sortie du tube `a RX (Almeidaet al.
(2017)) (Fig.I.9, iv)) afin de modeler le spectre d’´energie du faisceau en deux parties distinctes.
D’un cˆot´e du faisceau, les hautes ´energies vont ˆetre bloqu´ees, tandis que de l’autre ce sont les basses ´energies qui vont ˆetre absorb´ees grˆace `a l’utilisation d’un filtre compos´e par exemple d’or d’un cˆot´e et d’´etain de l’autre. Le d´etecteur aura une moiti´e d’image correspondante au spectre `a basse ´energie et l’autre moiti´e `a haute ´energie. Cette m´ethode est facile `a mettre en place (il suffit de changer le filtre), mais n’est pas facilement g´en´eralisable `a plus de deux spectres. Un autre inconv´enient de cette m´ethode est que seule une moiti´e de l’objet est acquise pendant l’acquisition. Il est donc n´ecessaire d’effectuer une autre prise d’image pour compl´eter les images.
Les d´etecteurs en couchessont des d´etecteurs contenant plusieurs mat´eriaux (scintilla-teurs) qui convertissent ou non les photons X incidents en fonction de leur ´energie (Vlassenbroek (2011)) (Fig. I.9, iii)). Chaque scintillateur va cr´eer une image pour une plage d’´energie cor-respondant `a celle o`u il r´epond le plus efficacement. Cette m´ethode est assez simple `a mettre en place et est int´eressante, car seul le d´etecteur change. Cependant, il est difficile d’obtenir plus de deux spectres. En augmentant les couches (et donc le nombre de plages d’´energies), les premi`eres couches vont absorber une partie du spectre des d´etecteurs qui sont plac´es en des-sous, limitant le nombre de couches possibles. De plus, les mat´eriaux composants les d´etecteurs ne doivent absorber qu’une partie du spectre et laisser passer le reste, ils doivent donc ˆetre compl´ementaires. Cependant, le choix de ces mat´eriaux est limit´e. Ainsi, il est difficile d’avoir un grand nombre de plages d’´energies avec cette m´ethode.
L’acquisition de plusieurs plages d’´energies avec les techniques pr´ec´edentes pr´esente beau-coup d’inconv´enients. Les doubles sources ou le changement de kVp vont induire une forte dose, tandis que le filtrage de spectre n’est pas pratique car il divise `a chaque fois l’image d´etect´ee en deux cˆot´es (gauche et droite). Les probl`emes li´es aux d´etecteurs en couches ont ´et´e discut´es.
Une nouvelle technologie a ´et´e d´evelopp´ee r´ecemment (ann´ees ∼2000) et permet quant `a elle d’obtenir beaucoup plus de plages d’´energie.
Les d´etecteurs `a comptage de photons (DCP) sont capables de compter les photons arrivant dans une certaine plage d’´energie (Taguchi et Iwanczyk (2013)). Ils s’inspirent de la conversion directe des photons d´ecrite pr´ec´edemment (I.3), sauf que les circuits r´ecup´erant le nuage d’´electron fonctionnent en mode comptage (Cassol Brunneret al.(2012)). Un photon X incident interagit avec un cristal, cr´eant un nuage ´electronique qui va migrer vers un circuit qui va convertir cette charge ´electrique en signal. Chaque circuit a un ou plusieurs seuils, qui vont permettre de classifier les photons X incidents dans des plages d’´energies. Ainsi ces d´etecteurs ont la capacit´e d’acqu´erir jusqu’`a 32 plages d’´energies pour certains mod`eles (Xu
et al. (2013)). Id´ealement, le ph´enom`ene d’ionisation du semiconducteur est proportionnel `a l’´energie du photon incident. Mais en r´ealit´e plusieurs ph´enom`enes physiques intrins`eques `a la conversion directe interviennent :
i partage de charge ; ii empilement (oupile-up) ; iii mauvaise d´etection ;
iv interaction photo´electrique.
FigureI.10 – Diff´erentes interactions pr´esentes dans un DCP : i) partage de charge, ii) empilement (ou pile-up), iii) mauvaise d´etection et iv) interaction photo´electrique.
Les diff´erentes interactions sont d´ecrites sur la figure I.10. Le partage de charge s’effectue quand un photon X incident interagit avec le cristal `a la bordure du pixel. Une fraction du nuage ´electronique est collect´e par le pixel adjacent, ce qui peut induire soit une absence de d´eclenchement du seuil dans le pixel ou un d´eclenchement `a double par le pixel et son voisin suivant que l’´energie du photon incident est faiblement, respectivement largement, sup´erieure `a celle du seuil. Lorsque les pixels sont petits (<50µm), le partage de charge peut avoir lieu entre plusieurs pixels, ce qui n´ecessite un traitement sp´ecifique a par l’´electronique d’acquisition du d´etecteurs `a comptage de photons (i). L’empilement (oupile-up) s’effectue lorsque des nuages
´electroniques, g´en´er´es par plusieurs photons X incident, sont d´etect´es simultan´ement par le mˆeme pixel. La d´etection sera fauss´ee car cela correspondra `a plusieurs photons X et non pas aux individuels. Si le photon X incident interagit par effet Compton, le photon diffus´e peut s’´echapper du pixel. De plus, dans les semiconducteurs `a haute densit´e (CdTe, CZT), il est possible que des photons X de fluorescence s’´echappent du pixel. C’est le cas pour les photons des raies Kα du Cd (27 keV) et du Te (23 keV) lorsque l’´energie des photons X incidents est sup´erieure aux K-egdes du Cd et du Te. Dans ces deux cas d’´echappement, il en r´esulte une mauvaise d´etection peut ainsi ˆetre effectu´ee (iii). Le photon g´en´er´e dans le cristal sera diffus´e et d´etect´e par un pixel adjacent. Enfin, l’interaction pr´epond´erante est l’effet photo´electrique (iv), le photon X incident interagit avec le cristal cr´eant un nuage ´electronique qui sera compl`etement d´etect´e par le circuit. La d´etection est donc directement proportionnelle `a l’´energie du photon X incident.